Struttura tridimensionale
delle proteine.
Strutture:
secondaria,
terziaria
e quaternaria
Le molecole proteiche
possiedono quattro livelli di
organizzazione strutturale:
Primaria: la sequenza
Secondaria: il ripiegamento
locale
Terziaria: il ripiegamento
complessivo
Quaternaria: l’associazione di
più catene
Struttura primaria
• Ogni proteina possiede un ordine
definito di residui aminoacidici e
questa sequenza è definita come
struttura primaria della proteina.
• Lys-Lys-Gly-Gly-Leu-Val-Ala-His
Struttura
secondaria
Strutture secondarie
• La struttura secondaria di una proteina si riferisce a
organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio dei residui aminoacidici adiacenti di una catena polipeptidica.
• Strutture secondarie più rappresentate:
- a-elica
- struttura a foglietto ripiegato (b-struttura o bfoglietto)
- b ripiegamento (struttura supersecondaria)
• Le strutture secondarie sono stabili in quanto
minimizzano le repulsioni steriche e allo stesso tempo
rendono massima la potenzialità di formazione dei
legami a idrogeno.
Struttura secondaria
Le possibili conformazioni regolari della catena polipeptidica
dovrebbero possedere i seguenti requisiti:
1.
Le lunghezze e gli angoli di legame dovrebbero essere distorti
il meno possibile rispetto a quelli riscontrati su aminoacidi e
piccoli peptidi
2. Due atomi non dovrebbero avvicinarsi tra loro più di quanto sia
loro consentito dai rispettivi raggi di van der Waals.
3. Il gruppo amidico dovrebbe rimanere planare e nella
configurazione trans. Perciò la rotazione è possibile solo
attorno ai due legami adiacenti al carbonio a di ciascun residuo
aminoacidico
4. Dovrebbero essere presenti alcuni tipi di legame non covalente
per stabilizzare i ripiegamenti regolari. La possibilità più ovvia
è costituita dai legami idrogeno tra i protoni ammidici e gli
atomi di ossigeno carbonilici:
>N — H •••O=C<
Strutture secondarie: a-elica
• L’ a-elica appartiene alle
strutture secondarie più
frequenti.
• La catena è attorcigliata con
un andamento elicoidale
destrorso. Ogni giro dell’elica
contiene 3.6 residui (passo
dell’elica, 0.54nm).
• L’a-elica è stabilizzata da
legami a ponte di idrogeno tra
gruppi --N-H e >C=O di residui
distanti l’uno dall’altro 4
posizioni nella sequenza.
3.6 residui
0.54nm
a-elica
• I gruppi R degli aa si
estendono verso
l’esterno dell’elica.
• A causa di vincoli
strutturali non tutti gli
aa possono formare l’aelica per vari motivi:
Ad esempio per la glicina:
R troppo piccola; Per il
triptofano: R troppo
grande; nel caso della
prolina: struttura rigida.
Struttura a foglietto ripiegato (b)
•
Nella struttura a foglietto ripiegato (o
b-struttura o foglietto b) la
disposizione dei legami peptidici crea
una struttura simile ad un foglietto di
carta ripiegato in modo regolare.
•
In questa conformazione si possono
formare ponti a idrogeno solo tra
catene vicine.
•
Se le due catene peptidiche hanno
direzione opposta la struttura b viene
detta antiparallela (a); se le catene
hanno la stessa direzione, la struttura b
viene detta parallela.(b)
•
Le catene laterali sono poste sopra e
sotto il piano dei legami peptidici.
•
La struttura b antiparallela ha ponti
idrogeno pressoché lineari ed è
energicamente favorita.
b-struttura
Strutture supersecondarie
• Sono combinazioni di strutture secondarie ad a-elica e a
foglietto b.
• I b-ripiegamenti o meandri b si trovano di solito nelle posizioni in cui
la catena peptidica cambia bruscamente di direzione. Questi
ripiegamenti collegano spesso le estremità di due segmenti adiacenti
di un foglietto b ripiegato antiparallelo e comprendono circa 4
residui aminoacidici
b-ripiegamento
Altre superstrutture secondarie: unità aa tra 2 a-eliche,
unità bab un’a-elica tra 2 foglietti b.
Struttura
terziaria
Struttura terziaria
• Si riferisce alla relazione spaziale
tra tutti gli aminoacidi di una cate=
na polipeptidica.
• E’ determinata dalla sequenza aminoacidica
e tiene conto delle relazioni a lungo raggio
esistenti nella sequenza aminoacidica.
• In una proteina, quando la catena
polipeptidica si avvolge su se stessa, gli
aminoacidi che sono localizzati in regioni
lontane della sequenza polipeptidica e che
fanno parte di strutture secondarie
diverse possono ugualmente interagire
tra loro.
Struttura terziaria
Ogni proteina globulare e fibrosa possiede una struttura terziaria
caratteristica, composta di elementi di struttura secondaria ( a-
eliche, foglietti b, regioni non regolari) ripiegati in modo specifico, per
adattarsi al particolare ruolo funzionale che la proteina riveste.
Sulla base della struttura terziaria è possibile distinguere due
classi di proteine:
1)Globulari
2)Fibrose
1) La maggior parte del lavoro chimico di una cellula, le sintesi, il
trasporto e il metabolismo avviene con l'aiuto di una vastissima classe
di proteine, le cui catene polipeptidiche sono ripiegate in strutture
compatte e molte delle quali contengono gruppi prostetici: proteine
globulari.
2) Le proteine fibrose svolgono funzioni strutturali e sono costituite
dalla ripetizione di un elemento semplice di struttura secondaria
Caratteristiche della struttura terziaria
•
I modelli di ripiegamento principali sono di due tipi:
1.
quelli caratterizzati da un impaccamento di a eliche
1.
quelli costruiti su una rete di strutture a foglietto b.
I ripiegamenti sono stabilizzati da legami deboli (legami H, interazioni
di van der Waals, interazioni carica-carica...)
Quando si esamina la localizzazione degli aminoacidi nella struttura
tridimensionale, si osserva invariabilmente che i residui idrofobici
sono impaccati principalmente all'interno, mentre i residui idrofilici
sono sulla superficie, a contatto con il solvente.
La struttura terziaria non è rigida: le proteine globulari hanno una
certa flessibilità nel loro scheletro e possono andare incontro ad
alcune fluttuazioni a breve raggio.
Interazioni che stabilizzano la struttura delle proteine
•
Legami disolfuro (ponti disolfuro): legami covalenti che derivano
dall’unione di due gruppi –SH di 2 residui di cisteina con
formazione di un residuo di cistina R–S-S-R
•
Interazioni idrofobiche: tra aa con catene laterali non polari. In
ambiente acquoso gli aa apolari tendono a localizzarsi all’interno
della molecola proteica; in un ambiente lipidico, quale quello delle
membrane, la disposizione è opposta.
•
Legami a idrogeno: catene laterali contenenti atomi di H legati a
O o N possono formare legami ad H con atomi fortemente
elettronegativi, es. O di un gruppo carbossilico o carbonilico della
stessa catena polipeptidica o con l’ambiente acquoso cellulare.
•
Interazioni ioniche: I gruppi laterali che recano una carica
(positiva –NH3+ o negativa –COO-) possono interagire con gruppi
laterali contenenti cariche opposte.
Interazioni che stabilizzano la struttura delle proteine
(b)
Distribuzione dei residui idrofilici e idrofobici nelle proteine globulari.
a) Sequenza amminoacidica del citocromo c di cuore bovino. I residui idrofobici (rosso),
idrofilici (verde) e anfipatici (bianco) sono molto dispersi nella sequenza.
b) Struttura tridimensionale. Sinistra: gli amminoacidi idrofobici si concentrano intorno
all’eme e all’interno della molecola. Destra: si notano i residui idrofilici sulla superficie
della molecola
I domini
• Le proteine globulari di grandi dimensioni sono
costituite da diversi domini collegati l’uno
all’altro da tratti di polipeptide relativamente
estesi.
• Il dominio è una porzione di catena polipeptidica
che si ripiega su se stessa a dare un’unità com=
patta che rimane distinta all’interno della strut=
tura terziaria dell’intera proteina.
Folding delle proteine
•
Per poter svolgere la propria
funzione biologica, una proteina
deve essere strutturata nella
conformazione nativa.
•
La conformazione nativa è quella
struttura tridimensionale stabile e
funzionale, caratterizzata da uno
stato a bassa energia e da un’unica
e particolare conformazione che
consente alla proteina di svolgere
correttamente la funzione a cui è
deputata.
•
Folding: processo che, dalla
biosintesi del peptide, porta alla
proteina strutturata nella forma
nativa, biologicamente attiva.
•
Durante il processo di folding le
proteine vanno da uno stato ad alta
energia della struttura unfolded ad
uno a bassa energia della struttura
folded.
Denaturazione delle proteine
• Le proteine possono perdere la loro
organizzazione tridimensionale
(struttura nativa) con assunzione di
strutture casuali: questo processo viene
chiamato denaturazione.
• Gli agenti denaturanti possono
essere:
-calore
-pH estremi
-solventi organici (alcool o acetone)
-soluti (urea)
-detergenti.
• La perdita della struttura nativa
provoca la perdita dell’attività
biologica della proteina stessa.
Struttura
quaternaria
delle proteine
Struttura quaternaria
•
Molte proteine esistono nella cellula
(in soluzione e in condizioni
fisiologiche)
come aggregati specifici di due o più
catene polipeptidiche ripiegate, o
subunità.
•
Tetramero dell’emoglobina
Questa organizzazione quaternaria può
essere di due tipi:
1) associazione tra catene polipeptidiche
identiche o quasi identiche (omotipica)
1) interazione tra subunità di struttura
molto diversa (eterotipica).
•
In entrambi i casi si ha la formazione
di proteine multimeriche.
La struttura quaternaria si riferisce
alla relazione spaziale tra i polipeptidi
o le subunità all’interno di una proteina.
Dimero dell’albumina
Perché si formano proteine
multimeriche?
1. La sintesi di subunità separate può essere
più efficiente dell’allungamento notevole
di una singola catena polipeptidica e limita
la probabilità di introdurre errori durante
la sintesi della catena polipeptidica.
1. Nei complessi sopramolecolari la
sostituzione di componenti più piccole che
si siano usurate o danneggiate può essere
effettuata più efficientemente.
1. Le interazioni complesse di più subunità
aiutano a regolare la funzione biologica
della proteina.
PROTEINE MULTIMERICHE:
INTERAZIONI OMOTIPICHE
PROTEINA-PROTEINA
Interazioni tra le catene polipeptidiche
ripiegate nelle proteine multimeriche:
• ponti salini
• legami a idrogeno
• interazioni idrofobiche
INTERAZIONI ETEROTIPICHE
PROTEINA-PROTEINA
L'insieme dei tipi di interazione proteinaproteina è molto vasto: sono comuni
associazioni specifiche tra molecole
proteiche completamente diverse.
A volte queste associazioni portano a
strutture organizzate che contengono anche
più di una decina di subunità diverse.
Le interazioni che formano questi complessi
sono generalmente forze non covalenti tra
superfici proteiche complementari.
L'inibitore pancreatico bovino della tripsina forma un
complesso stabile con l'enzima tripsina inibendone
l'attività proteolitica nel pancreas. Questa simulazione
al calcolatore mostra che le due superfici proteiche
combaciano perfettamente.
Il ripiegamento non corretto
delle proteine
• Il ripiegamento delle proteine avviene per
tentativi e per errori e può produrre delle
proteine ripiegate in modo non corretto che
in genere vengono degradate dalla cellula.
• Non sempre il sistema di controllo funziona,
soprattutto durante l’invecchiamento di un
individuo provocando un accumulo di proteine
non correttamente ripiegate.
• Alcune patologie associate a questo
fenomeno sono le amiloidosi e le malattie
prioniche
Amiloidosi
(A-B) Alcune proteine apparente mente
normali dopo un taglio proteolitico
possono formare degli aggregati,
con strutture foglietto ripiegato,
chiamati amiloidi.
(C)
L’accumulo di tali strutture può
essere tossico per il nostro
organismo come nel caso della
placca amiloide, generata
dall’accumulo della proteina
amiloide Aβ derivante dalla
proteina precursore dell’amiloide.
La placca insieme con i grovigli di
neurofibrille (dovuti alla forma
anomala della proteina tau) è
neurotossica e responsabile del
morbo di Alzheimer.
Soggetto sano
soggetto
affetto dal morbo di
Alzheimer
Nel soggetto affetto dal morbo di Alzheimer il
cervello tende a restringersi, si ha degenerazione
delle cellule nervose, filamenti dovuti a grovigli di
proteine e lesione da accumulo di b-amiloide
Malattie prioniche
• La proteina prionica è l’agente causale delle
encefalopatie spongiformi trasmissibili nelle
sue varie forme (umana, ovina e bovina).
• Nel nostro organismo sulla superficie dei
neuroni e delle cellule gliali è presente una
forma normale non infettiva che si
differenzia dalla forma infettiva solo nella
struttura secondaria (un certo numero di αeliche sono sostituite da β-foglietto nella
forma infettiva) permettendo al tessuto di
riconoscerla come diversa dalla forma
normale.
• La struttura primaria e le modificazione
post-traduzionali delle due forme sono
identiche
• La forma infettiva è resistente alla proteolisi
e funge da stampo per la versione normale.
• Le particelle infettive tendono a formare
aggregati insolubili di fibrille che provocano
la degenerazione del tessuto nervoso .
Encefalopatie spongiformi
trasmissibili
I 4 livelli della struttura delle proteine:
schema riassuntivo
Proteine fibrose
e
proteine globulari
Proteine fibrose
•
L’a-cheratina, il collageno e l’elastina sono
proteine fibrose che conferiscono resistenza
ed elasticità alle strutture di cui fanno parte.
•
Hanno strutture relativamente semplici e
sono tutte insolubili in acqua per la presenza
di elevate concentrazioni di residui
idrofobici.
•
L’a-cheratina e il collageno si sono evoluti
con strutture capaci di resistere alla
tensione.
•
L’a-cheratina è presente nei capelli, nella
lana, nelle unghie, nelle penne, negli strati
esterni della pelle.
•
Il collageno è presente nei tendini, nella
cartilagine, nella matrice organica delle ossa e
nella cornea dell’occhio. La loro resistenza
alla tensione è dovuta all’avvolgimento di più
catene elicoidali unite a formare una
superelica, incrementata da legami covalenti
trasversali tra le catene.
Collageno
• L’elastina è costituita da subunità polipeptidiche dette
tropoelastina. L’elasticità le viene impartita dalla presenza di
aminoacidi modificati chiamati desmosina che sono in grado
di unire catene di tropoelastina in disposizioni tali da poter
essere stirate in modo reversibile in tutte le direzioni.
Proteine globulari
• Enzimi
• Mioglobine ed emoglobina
• Trasportatori
Quesiti:
1)Quali sono I livelli di organizzazione strutturale delle proteine
2)Descrivere la struttura terziaria delle proteine
3)Che tipo di struttura è l’alfa-elica. Quali sono i legami che stabilizzazo l’ alfaelica?
4) Quali sono le interazioni che stabilizzano la struttura di una proteina?
5)Che cosa si intende per DOMINIO di una proteina globulare?
6)In che cosa consiste la DENATURAZIONE di una proteina
7)Proteine multimeriche, rapporto struttura funzione
8)Proteine fibrose e proteine globulari esempi e proprieta’.